我們的眼睛在火星上:鳳凰號著陸器如何觀測

與一位工程師的問答:他幫助設計了現在正在拍攝紅色星球表面的相機

如果你在長假期間把相機忘在家裡,你可以買一個一次性的。但如果你已經旅行了 4.22 億英里(6.79 億公里)到達另一個星球,那就不是一個選擇了——尤其是在那個世界的極端條件下,普通相機面臨挑戰。

因此,為了記錄鳳凰號前往紅色星球的旅程,美國宇航局不得不基於他們從其他火星著陸器和漫遊車中獲得的經驗,開發出一種特殊的裝置:表面立體成像儀 (SSI),它充當鳳凰號的主要“眼睛”。該成像儀由鈦製成,以承受火星每日從零下 22 華氏度(零下 30 攝氏度)到零下 112 華氏度(零下 80 攝氏度)的溫度波動,並且還被設計為在低大氣壓力下工作。

這個價值 700 萬美元、足球大小的儀器在一個格架上旋轉,該格架延伸到火星地形上方約六英尺半(兩米)。(對於那些欣賞科幻小說的人來說,SSI 看起來像是 80 年代電影機器人偶像 強尼五號 和新《星球大戰》前傳中的死敵 格里弗斯將軍 的結合體。)它具有兩個開口,它們之間的距離與我們自己的眼睛大致相同,並且以類似於 人類視覺 的方式檢測顏色。該成像儀甚至配備了睫毛狀刷子,每天清潔鏡頭上的火星塵埃。

該相機幫助研究人員在 5 月 25 日 著陸 後檢查了航天器,並環顧著陸點以尋找合適的挖掘區域。它已經拍攝了數百張荒涼、鏽紅色景觀的異域旅遊快照。當然,到目前為止,亮點一直是水,這表明火星可能曾經(或可能仍然是)一個適宜居住的星球——至少對於微生物而言。


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大眾科學採訪了帕特里克·沃伊達,他幫助開發了成像儀,以更多地瞭解是什麼使該裝置像我們一樣觀察。沃伊達是鳳凰號著陸器的 SSI 下行鏈路工程師,也是亞利桑那大學圖森分校月球與行星實驗室的高階職員工程師。以下是根據電話和電子郵件採訪編輯的問答記錄。

表面立體成像儀的觀察方式與人類觀察火星表面的方式有何相似之處?
嗯,成像儀離地面兩米,所以這使它大約與我的身高相同。[沃伊達身高六英尺七英寸。] 此外,成像儀有兩個鏡頭,它們像我們臉上的眼睛一樣分開設定。這種佈置使成像儀能夠像我們一樣具有深度感知。此外,當影像被髮回地球時,我們不會重新校正影像中的顏色。換句話說,如果你站在火星上向外看,你就會看到這樣的景象。

表面立體成像儀如何製作彩色影像?
這就像我們眼睛中的視錐細胞。我們有三種可以檢測藍色、綠色和紅色光。我們在鳳凰號上擁有的是稱為電荷耦合器件的裝置,以及一個感測器,該感測器可以檢測從近紫外線一直到紅外線的頻譜上的 [光]。我們有一個不同的濾光片輪,它只允許一種特定的波長或顏色透過。我們不必只使用三種顏色;我們可以混合額外的濾光片,以使我們的顏色更加豐富和準確。在最初的 90 天裡,太陽不會在鳳凰號所在的火星上落下。但是稍後,當外面天黑時,成像儀足夠靈敏,可以進行天文學觀測。因此,從某種意義上說,這類似於你的眼睛如何進行暗適應並向外看星星和星座

表面立體成像儀在哪些方面比人類視覺“更好”或“不同”?它能在火星上看到我們看不到的東西嗎?
我們的眼睛無法捕捉到較長波長的紅外光,但成像儀可以。紅外線對於弄清岩石和土壤等的化學成分非常重要。此外,擁有紅外線意味著我們可以利用不同的照明條件。成像儀還可以看到偏振光,就像那些消除眩光的偏光太陽鏡一樣。這使我們能夠分析大氣中的氣溶膠和灰塵成分。我們還使用其他濾光片來觀察太陽,以直接讀取到達地面的陽光量。這非常重要,因為鳳凰號是太陽能驅動的。我們可以知道大氣有多麼晴朗,並知道太陽能電池板當天將獲得多少能量。我們還可以獲得非常高精度的溼度讀數,因此我們可以知道空氣中有多少水蒸氣。

到目前為止,表面立體成像儀是否完成了它應該做的事情?有什麼小故障嗎?
成像儀每天都在工作,日復一日。總的來說,我們每天拍攝大約 150 到 200 張影像,所有其他科學團隊都非常依賴它。在機械臂挖掘任何地方之前,它必須知道地面在哪裡。我們需要知道機械臂何時移動以及我們在一天結束時將其留在哪裡。地質和化學人員需要多光譜影像,以便他們知道最有趣的挖掘地點在哪裡。出現了一些通訊問題——不是成像儀本身的問題;更多的是我們無法總是從火星取回我們命令的影像。它們必須透過我們在火星軌道上的衛星之一進行中繼,然後當它們被髮射回地球時,會出現 [15 分鐘的] 通訊延遲。要獲得一張照片,實際上有數百件事必須做對,有時 100 件中有 98 件是對的,但對於我們來說,要將影像帶回家,這 98 件並不完全正確。但這就是你所期望的,很難對此感到沮喪。如果我今天沒有拿到我的照片,我明天早上會拿到。我仍然有一個工作正常且令人滿意的儀器,以及一個工作正常且令人滿意的航天器。鳳凰號正在竭盡全力為我們尋找火星上有趣的東西。

那麼,讓你的“孩子”降落在數百萬英里之外的星球上是什麼感覺?
成像儀始終是一次單程旅行。它必須在第一次就做對,因為我們無法修復它,而且她工作得非常出色。我為我們的團隊感到驕傲,他們設計、建造、測試並將這款相機交付到火星。鳳凰號著陸的第一天,成像儀開始拍照,其他人都在為太陽能電池板展開而歡呼雀躍,這是有充分理由的。[成像儀拍攝的第一張照片是電池板的照片。] 但隨後,第二張照片傳回了火星上的著陸墊,那正是我一直在等待的照片。我們接觸火星的第一個地方就是那個著陸墊,1976 年的海盜號著陸器也是如此。它真的讓你有了 perspective(視角/觀點)。我從小就是一個《星際迷航》迷,渴望去往星空,當我將此融入到我生活中真正可以做的事情時,就成了我現在所處的位置。它提供了這種連續性,這條線索從我小時候的夢想一直延伸到現在我正在實現的現實。我的意思是,天哪,它給了你的靈魂很多價值。

*更正(2008 年 7 月 21 日):自發布以來,已新增鳳凰號表面立體成像儀的影像。最初的圖片是 1997 年火星探路者號成像儀的圖片。

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